Résumé du processus de fabrication du carbure de silicium (SiC)

Carbure de siliciumles abrasifs sont généralement produits à partir de quartz et de coke de pétrole comme matières premières primaires. Au cours de la phase préparatoire, ces matériaux subissent un traitement mécanique pour atteindre la taille de particule souhaitée avant d'être chimiquement dosés dans la charge du four.Pour réguler la perméabilité de la charge du four, une quantité appropriée de sciure de bois est ajoutée lors du mélange. Pour la production de carbure de silicium vert, une certaine quantité de sel est également incorporée à la charge du four.

La charge du four est chargée dans un four à résistance de type discontinu, doté de parois d'extrémité aux deux extrémités avec des électrodes de graphite positionnées près du centre. Le corps du noyau du four relie les deux électrodes, entourées de matériaux de charge réactifs du four, tandis que des matériaux isolants enveloppent le périmètre extérieur. Pendant le fonctionnement, l'énergie électrique chauffe le noyau du four à des températures comprises entre 2 600 et 2 700 °C. La chaleur est transférée de la surface du noyau aux matériaux de charge qui, lorsqu'ils dépassent 1 450 °C, subissent des réactions chimiques pour former du carbure de silicium tout en libérant du monoxyde de carbone.

Au fur et à mesure que le processus se poursuit, la zone à haute température s’étend, formant progressivement davantage de cristaux de carbure de silicium. Ces cristaux s'évaporent, migrent et se développent dans le four, pour finalement fusionner en une masse cristallisée cylindrique. Les parois internes de cette masse subissent des températures supérieures à 2 600°C, provoquant une décomposition qui libère du silicium, qui se recombine ensuite avec le carbone pour former un nouveau carbure de silicium.

La distribution de l'énergie électrique varie sur trois phases opérationnelles :

1. Phase initiale : principalement utilisée pour chauffer la charge du four.

2. Phase intermédiaire : proportion accrue pour la formation de carbure de silicium

3. Phase finale : dominée par les pertes thermiques

Des relations puissance-temps optimales sont développées pour maximiser l'efficacité thermique, avec des durées de fonctionnement typiques d'environ 24 heures pour les fours à grande échelle afin de faciliter la coordination des flux de travail.

Pendant le fonctionnement, des réactions secondaires se produisent impliquant diverses impuretés et sels, provoquant un déplacement de matière et une réduction de volume. Le monoxyde de carbone produit s'échappe sous forme de polluant atmosphérique. Après une coupure de courant, les réactions résiduelles persistent pendant 3 à 4 heures en raison de l'inertie thermique, mais à une intensité considérablement réduite. À mesure que les températures de surface diminuent, la combustion incomplète du monoxyde de carbone devient plus prononcée, ce qui nécessite le maintien de mesures de sécurité au travail.

Les matériaux post-four, des couches externes aux couches internes, sont constitués des composants suivants :

(1) ‌Matériau de charge n'ayant pas réagi‌

Les parties de la charge qui n'atteignent pas la température de réaction pendant la fusion restent inertes et servent uniquement d'isolant. Cette zone est appelée bande isolante. La composition et les méthodes d'utilisation diffèrent considérablement de la zone de réaction. Certains processus impliquent le chargement d'une nouvelle charge dans des zones spécifiques de la bande isolante pendant le chargement du four, qui est récupérée après la fusion et mélangée à la charge de réaction sous forme de matériau calciné. Alternativement, le matériau de la bande isolante n'ayant pas réagi peut subir un traitement de régénération en ajoutant du coke et de la sciure de bois pour être réutilisé comme charge épuisée.

(2) ‌Couche de carbure de silicium oxydé‌

Cette couche semi-réagie contient principalement du carbone et de la silice n'ayant pas réagi (20 à 50 % déjà convertis en SiC). La morphologie altérée de ces composants les distingue des charges épuisées. Le mélange silice-carbone forme des agrégats amorphes gris-jaune avec une cohésion lâche, se pulvérisant facilement sous pression, contrairement à la charge épuisée où la silice conserve sa granularité d'origine.

(3) ‌Couche de liaison‌

Une zone de transition compacte entre la couche oxydée et la zone amorphe, contenant 5 à 10 % d'oxydes métalliques (Fe, Al, Ca, Mg). La composition de phase comprend de la silice/carbone n'ayant pas réagi (40 à 60 % de SiC) et des composés silicatés. La différenciation des couches adjacentes devient difficile à moins que les impuretés ne soient abondantes, en particulier dans les fours à SiC noir.

(4) ‌Zone amorphe‌

β-SiC cubique à dominante (70-90 % SiC) avec carbone/silice résiduel (2-5 % d'oxydes métalliques). Le matériau friable s’effrite facilement en poudre. Les fours SiC noirs produisent des zones amorphes noires, tandis que les fours SiC verts produisent des variantes vert jaunâtre, parfois avec des dégradés de couleurs. Les grosses particules de silice ou le coke à faible teneur en carbone peuvent créer des structures poreuses.

(5) ‌SiC de qualité secondaire‌

Constitué de cristaux α-SiC (pureté 90-95%) trop fragiles pour une utilisation abrasive. Distinct du β-SiC amorphe (poudreux, terne), le grade secondaire présente des réseaux cristallins hexagonaux avec un éclat semblable à un miroir. La division entre les niveaux secondaire et primaire est purement fonctionnelle, même si les premiers peuvent conserver des structures poreuses.

(6) ‌Cristaux de SiC de qualité primaire‌

Le produit principal du four : des cristaux massifs d'α-SiC (pureté >96 %, épaisseur 50-450 mm). Ces blocs serrés apparaissent noirs ou verts, leur épaisseur variant selon la puissance du four et l'emplacement.

(7) ‌Noyau de four en graphite‌

Adjacent au cylindre cristallin, le SiC décomposé forme des répliques en graphite des structures cristallines originales. Le noyau interne est constitué de graphite préchargé avec une graphitisation améliorée après cycle thermique. Les deux types de graphite sont recyclés comme matériau de base pour les lots de four suivants.